Der VCO, der spannungsgesteuerte Schwingungserzeuger soll das erste Modul sein, welches ich beschreiben möchte. Leider gehört es auch zu den Baugruppen, die am meisten Erklärungen benötigen weil nun eine ganze Reihe neuer und wichtiger Begriffe auf den geschätzten Leser niederprasseln werden. Ich hoffe, das tut der Übersichtlichkeit keinen Abbruch auch wenn, wie bald zu merken sein dürfte, zahlreiche Abschweifungen notwendig werden.

          Ein Tongenerator hat die Aufgabe, eine saubere, hauptsächlich tonfrequente Schwingung zu erzeugen. Diese soll dann in mehreren Wellenformen gleichzeitig und in der Frequenz durch eine Spannung steuerbar zur Verfügung stehen. Um mit einem VCO eine exakt steuerbare Frequenz über einen Tonumfang von 10 Oktaven (etwa der Hörbereich) zu erhalten, ist es notwendig, daß er im Betrieb hochkonstante Werte aufweist. Diese Präzision sollte heutzutage keinem Hersteller Probleme bereiten - trotzdem gibt es immer wieder Geräte, bei denen offensichtlich an der falsche Stelle gespart wurde. Weicht ein Tongenerator bei Temperaturveränderungen nach einigen Minuten Betrieb (bei Luftzug o.ä.) von seiner Sollfrequenz ab, spricht man von „temperaturabhängiger Frequenzdrift".
          Wird der VCO mit der Betriebsspannung versorgt, beginnt er sofort mit der Produktion der Schwingung. Dieses tut er ohne Pause und in einer Frequenz, deren Höhe von der Summe aller ihm zugeführten Steuerspannungen abhängig ist .
 Die Gesamtsteuerspannung setzt sich in der Regel mindestens durch die KEYBOARD-CV (Tastatursteuerspannung) , der CV des OKTAVSCHALTERS und der, des TUNE REGLERS zusammen. Andere, verwendbare Steuerspannungsquellen waren in der Liste im Teil 2 aufgeführt.

Nun der erste  Kurzausflug zur Tastatursteuerspannung  (KEYB. - CV)
     Die Keyboard - CV wird in der Regel durch Aufteilung einer Spannung durch Widerstände in gleich große Teilspannungen erzeugt  (Abb.13) (siehe Physikbuch - Ohmsche Gesetze). Diese Teilspannungen werden dann durch die Tastenkontakte zu einer Elektronik weitergeschaltet, welche dann diese Spannung solange aufrecht erhält bis erneut eine Taste gedrückt wird.  (Sample & Hold-Prinzip)

Zur Tastatur muß noch gesagt werden, daß es sich bei meinem schematischem Beispiel um eine einstimmige, sprich monophone Tastatur handelt. Bei monophonen Tastaturen wird, mit einigen Ausnahmen immer die Steuerspannung zum Ausgang geschickt, welche der höchsten gedrückten Taste entspricht. Aber noch eine zweite Spannung erzeugt unsere Tastaturelektronik:  Eine Impulsspannung - in einem früheren Kapitel bereits kurz erwähnt. Diese Impulsspannung springt bei Tastendruck sofort auf ihren Maximalwert (meist 5-10 V) und endet genauso plötzlich, wenn die letzte aller gedrückten Tasten wieder gelöst wird. Diesen Impuls, dessen Dauer also sehr unterschiedlich sein kann nennt man GATE. Ein neues GATE bekommt man nur, wenn zuvor alle Taste gelöst waren. Bei einigen Synthesizer-Keyboards gibt es Zusatzschaltungen, die automatisch bei jedem zusätzlichen Tastendruck ein neues GATE auslösen können. Die Elektronik einiger Tastaturen wandeln solche Gates zusätzlich in ein Triggerimpuls um der immer die gleiche Länge hat. Diese Impulsnadel ist unabhängig von der Länge eines Tastendruckes nur etwa 50 Millisekunden lang. (Verwendung später !)

Doch wieder zurück zum VCO :
       Die Keyboard - CV steigt also, wenn man „höhere" Tasten drückt. Pro Taste steigt die Steuerspannung um exakt 1/12 Volt. Die Spannung steigt also linear an (immer um den gleichen Betrag). Zu dem merkwürdigen Wert von 1/12 Volt kom-men wir durch eine internationale Absprache, die besagt : eine Spannungsänderung von einem Volt soll die Tonhöhe um eine Oktave steigen lassen. (Abb.14)  Da nun eine Oktave 12 Einzeltöne hat, ist ein einzelner Ton eben ein Zwölftel von einem Volt. Untersuchen wir aber die Tonleiter frequenzmäßig, dann stellen wir fest, daß ein bestimmter Ton einer beliebigen Oktave die doppelte Frequenz hat wie der Ton eine Oktave tiefer. Man muß also die linear ansteigende Steuerspannung der Tastatur so umwandeln, daß sich am Ende eine Frequenzverdoppelung von Oktave zu Oktave ergibt.
         Für diese Umwandlung braucht man einen sogenannten EXPONENTIAL - KONVERTER. Die Zusammenhänge sollten die nachfolgende Tabelle und die Grafik klären können.

         Der Frequenzbereich eines guten VCO's sollte möglichst groß sein damit man seine Wellenformen auch als Steuerspannung nutzen kann. So ist ein Bereich von 0,003 Hz bis  10 kHz eigentlich nicht selten. Die Oszillatoren des MOOG - Modularsystems weisen sogar eine obere Grenzfrequenz von 50 kHz auf ! Man muß also auf der Hut sein damit man nicht versehentlich durch zu hohe Gesamtsteuerspannung den Tongenerator in Bereiche jagt, die jeder Fledermaus Ohrensausen bescheren würde.  Nicht vergessen :

Die Wellenformen des VCO

     Bei der Abbildung der VCO- Frontplatte sind euch auch sicher die Darstellungen verschiedener Wellenformen ins Auge gefallen. Wie man sich in der Praxis leicht überzeugen kann, klingen die verschiedenen Formen trotz gleicher Frequenz und Amplitude unterschiedlich und scheinen auch unterschiedlich laut zu sein. Wie bereits schon kurz erwähnt, handelt es sich bei allen Schwingungsformen um Mischungen einzelner Sinuswellen. Diese Sinusschwingungen weisen unterschiedliche Frequenzen und Amplituden auf. Die resultierende Kurvenform ergibt sich dann aus der Spannungsaddition aller Sinii (Mehrzahl von Sinus) .

>> Das Obertonspektrum gibt an, welche Obertöne in einer Wellenform enthalten  sind.  Das heißt,  es können z.B.  in der einen Wellenform alle Harmonischen (1,2,3,4,5..), in einer anderen nur alle ungeradzahligen Harmonischen ( 3x 5x 7x...) enthalten sein. Die erste Harmonische ist wieder die Grundwelle.
>> Bei der Amplitudendämpfung handelt es sich um einen Ausdruck, der  das Verhältnis der Obertonamplitude zur Grundtonamplitude beschreibt:

        Die '1' steht für den Amplitudenhöhe der Grundwelle.  Trägt man anstelle von [n] die Nummer der Harmonischen ein, deren Amplitude errechnet werden soll, er-gibt sich deren Wert von alleine. Die 5. Harmonische hätte beim Verhältnis 1/n also nur 1/5tel der Grundwellenamplitude. Reale Zahlen sind hierbei selten interessant,  wichtig ist nur das Verhältnis der Lautstärken untereinander.  Durch die Angabe dieser beiden Merkmale ist es möglich jede Wellenform physikalisch unverwechselbar zu beschreiben. Jede Wellenform hat theoretisch unendlich viele Obertöne, in der Praxis kann man sich auf maximal 64 beschränken, alle darüberliegenden beeinflussen den später hörbaren Klang nicht mehr.

Die Abbildung zeigt, wie aus der Addition einiger Sinuswellen mit verschiedener Frequenz und Amplitude eine neue Schwingungsform entsteht . Ist man in der Lage, zum Beispiel mit einem Computersystem wie dem SYNCLAVIER (s.u.) - zur Klangerzeugung genau so vorzugehen, wendet man eine sogenannte ADDITIVE SYNTHESE an. Bei einem „normalen" analogen Synthesizer wird eine Klangveränderung erst später durch herausnehmen bestimmter Frequenzanteile erreicht. Dies wiederum nennt sich dann folgerichtig: SUBTRAKTIVE SYNTHESE, doch dazu im Kapitel über Filter noch näheres.

DIE SÄGEZAHNSCHWINGUNG (Sawtooth)

       Diese Kurvenform enthält ALLE harmonischen (also geradzahlige und ungeradzahlige) Obertöne bei einer  geringen Amplitudendämpfung. Durch die geringe Amplitudendämpfung sind sehr viele Harmonische hörbar, so daß es zu einem scharfen, vollen Klangbild kommt. Wie aus der Abbildung (Abb.16) zu ersehen ist, hat die zweite Harmonische die doppelte Frequenz der Grundwelle aber nur deren halbe Amplitude, die dritte Harmonische mit der dreifachen Frequenz nur ein Drittel, die vierte ein Viertel usw.  Mit jedem weiteren Oberton nähert sich das Ergebnis dem „Idealbild" der Kurvenform an, aber zur Demonstration reicht´s - oder ? Man kann das Baumuster für eine Sägezahnschwingung wie folgt zusammenfassen:

DIE RECHTECK - oder IMPULSSCHWINGUNG    (Square oder Pulse)

Eine Impulsschwingung besteht immer aus zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus, dem IMPULS und der PAUSE (High/Low). Impuls und Pause können dabei durchaus unterschiedliche Längen haben. Man findet bei fast allen VCO’s die Angabe „PULSWEITE" oder 'PW'. Wenn der Impuls und die Pause gleich lang sind, nennt man diese Sonderform einer Impulsschwingung ein „RECHTECK" (engl. Square). Solche Rechteckschwingung enthält bei gleicher Amplitudendämpfung wie eine Sägezahnwellenform weit weniger Obertöne, nämlich nur noch ALLE UNGERADZAHLIGEN HARMONISCHEN. Rechteckwellen klingen daher sauberer und wärmer als „Sägezähne". Bei Impulsschwingungen mit anderen Pulsweiten wird die Dämpfung der Obertöne immer geringer, was auch der Grund für den nasalen, engen Klang solcher Formen ist.
 Die Pulsweite sollte sich an einem vernünftigen VCO nicht nur von Hand, sondern auch durch Steuerspannungen beeinflussen lassen, also sollte ein Eingang und/oder ein Regler mit der Bezeichnung „PWM" auf der Frontplatte finden lassen. Das ist die Kurzform für „Pulsweitenmodulation".  Setzt man  pulsweitenmodulierte SV´s bei Klängen ein, kann man leicht mit geringem Aufwand einen breiten, fülligen Klang erreichen, es klingt fast wie mehrere, auf gleicher Frequenz schwingende VCO´s. Das Baumuster eines Rechtecks ist in Kurzform :

DIE DREIECKSCHWINGUNG       (Triangel)
      Der weiche, reine Klang des Dreiecks hat seine Ursache in der sehr hohen Amplitudendämpfung. So weist die z.B. die 5. Harmonische beim Dreieck nur 1/25,  die 7. Harmonische nur 1/49 der Grundwellenamplitude auf. Das Maß der Dämpfung entspricht jeweils dem Quadrat der Nummer des Obertones.  Es ist uns also nicht möglich, viele der natürlich auch hier vorhandenen Obertöne zu hören weil diese viel zu schwach sind.  Das Obertonspektrum ist dabei das gleiche wie beim Rechteck: Es existieren also nur die ungeradzahligen Harmonischen. Die Kurz-form sieht also so aus:

DIE SINUSSCHWINGUNG    (Sine)
      Sozusagen zum Ausruhen nun eine sehr einfache, schon bekannte Wellenform, die Sinusschwingung, unser „Klangatom".  Nur selten findet man diese Form an VCO´s. Da sie eine Schwingungsform darstellt, die keinerlei Obertöne aufweist, eignet sie sich in dieser Form kaum als Signalquelle weil man sie nicht durch Filterung bearbeiten kann. Doch dazu, und wie man sie auch anderswo erzeugen kann später mehr.  Sinnvoll ist eine Sinusschwingung allerdings wieder dann einzusetzen, wenn es möglich ist, den VCO mit sehr niedrigen Frequenzen zu betreiben um ihn so als Steuerspannungsgeber zu verwenden. Der Vollständigkeit halber, auch hier der Steckbrief  aber ohne Spektrogramm, was ja nun wirklich unnötig wäre.

WEITERE SCHWINGUNGSFORMEN
      Alle anderen „periodischen" Schwingungsformen, die man mitunter sonst noch vorfindet, sind meist simple Additionen von z.B. Rechteck und Sägezahn - Wellenformen. Diese Additionen können wir jedoch meist leicht selbst mit Hilfe von Mixern oder, noch einfacher, durch Zusammenstecken verschiedener Wellen auf einem Steckfeld (Mulitiple) durchführen. Daher ist es nicht notwendig die Frontplatten mit überflüssigen Buchsen zu „verzieren"
      Da wir gerade bei dem Thema Additionen sind, gleich gibt’s mehr dazu. Zuvor noch eine ganz kleine Übersicht über die Anwendung verschiedener Wellenformen als Basis für die Klangsynthese sogenannter „Natürlicher Instrumente"

Streitfrage: Was ist schon an einem Klavier, daß ein Ergebnis jahrhundertelanger Weiterentwicklung ist und das aus vielen unterschiedlichen Werkstoffen besteht, natürlich ????

Basiswellenformen für die Synthese einiger „Natürlicher Instrumente"
Dreieck     : Baß - Drum, Blockflöte, Glockenspiele, Vibraphon etc.
Sägezahn    : Streichinstrumente, Blechbläser
Rechteck    : alle Dreieck - Sounds, Klarinette
Pulswellen  : Holzbläser, Querflöte, Saxophon, Baßgitarre, Cembalo

Das es neben den periodischen auch noch andere Schwingungsformen gibt, läßt sich aus den obigen Zeilen leicht herauslesen. Informationen darüber gibt es im Anschluß an die VCO-Besprechung.

        Synchronisationsschaltungen wurden entwickelt um zwei oder mehr VCO´s so exakt auf eine gemeinsame Frequenz abzustimmen das es keinerlei Schwebungen mehr geben kann. Früher war das oft notwendig weil es den Technikern noch nicht möglich war Generatoren so frequenzstabil zu bauen wie man es heute kennt. Bei der Synchronisation wird jeweils der gesteuerte (synchronisierte) Generator auf die Frequenz des Steuernden gezwungen. Dies läßt sich im Prinzip so genau machen, daß der Frequenzunterschied der, an der Synchronisation beteiligten Generatoren, überhaupt keine Rolle mehr spielt. Einige werden jetzt vielleicht denken:  "Prima, eine tolle Arbeitserleichterung - kein aufwendiges Stimmen etc. ". Aber denkt mal dran was mit dem Klang geschieht wenn man genau gleiche Frequenzen mischt (addiert) !?  Genau ! Nämlich gar nichts, außer das der Ton einfach nur lauter wird weil sich die Amplituden addieren. Langweilig ist das und obendrein höchst unwirtschaftlich wenn 6 oder 8 VCO's klingen wie einer. Sinnvoll kann Synchronisation sein , wenn man unterschiedliche Kurvenformen verschiedener VCO's mischen will um so eine neue, anders klingende Wellenform zu erhalten. Hier muß man Schwebungen möglicherweise vermeiden und genau dabei hilft die Synchronisation weiter.

 Meist sind die entsprechenden Schaltungen jedoch recht einfach ausgelegt und weisen nur einen engen Arbeitsbereich auf. So kann es geschehen, daß es nicht mehr möglich ist, den gesteuerten VCO auf die Grundfrequenz des steuernden VCO´s  zu bringen . Besonders leicht geschieht das wenn der gesteuerte  VCO wesentlich höher gestimmt wurde. Der  Synchronisationsschaltung fällt in diesem Falle nichts besseres ein, wie den gesteuerten VCO auf die Frequenz eines Obertones  des steuernden einzustellen. (auf jeden Fall mal ausprobieren !) Dreht man jetzt auch noch am gesteuerten VCO die Frequenz hin- und her oder läßt man diese von einer Steuerspannung modulieren, ergeben sich Klangeffekte, die am ehesten mit einem Phaser oder Flanger verglichen werden können. Auf jeden Fall ein Spitzensound für fetzige Soli wenn der angesteuerte VCO, der nun auch SLAVE VCO genannt werden kann, mit Handrädern, Joysticks oder Hüllkurven in der Eigenfrequenz verändert wird. Es soll Leute geben, die jahrelang Synthesizer benutzen und diesen Effekt nicht kennen und solche, die keinen Synthy ohne Synchronisationsmöglichkeit kaufen würden.